在Linux系統(tǒng)中，進程間通信(Inter-Process Communication，IPC)是不同進程之間進行數(shù)據(jù)交換和同步的一種機制

為什么需要進程間通信

進程間通信(IPC)是由于在計算機系統(tǒng)中，多個進程可能同時運行，而這些進程可能需要共享信息、協(xié)同工作或者進行數(shù)據(jù)交換,以下是一些常見的原因，解釋了為什么需要進程間通信：

(1)資源共享： 進程間通信允許多個進程共享系統(tǒng)資源，如文件、設(shè)備、內(nèi)存等。這種共享資源的方式使得系統(tǒng)可以更高效地利用資源，避免了每個進程都維護一份獨立的資源拷貝;

(2)并發(fā)執(zhí)行： 在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，多個進程可能同時運行。通過進程間通信，這些進程可以同步執(zhí)行，共享信息，以便更好地協(xié)調(diào)工作。

(3)模塊化設(shè)計： 大型軟件系統(tǒng)通常被分解成多個模塊或組件。這些模塊可能運行在獨立的進程中，通過IPC進行通信，使得系統(tǒng)的設(shè)計更具模塊化和可維護性。

(4)數(shù)據(jù)傳遞： 進程間通信提供了一種機制，允許進程之間傳遞數(shù)據(jù)，從而使得它們能夠相互交流和共享信息。這對于實現(xiàn)分布式計算、網(wǎng)絡(luò)通信等場景是至關(guān)重要的。

一、進程間通信的目的

數(shù)據(jù)傳輸：一個進程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個進程，發(fā)送的數(shù)據(jù)量在一個字節(jié)到幾M字節(jié)之間

共享數(shù)據(jù)：多個進程要操作共享數(shù)據(jù)，一個進程對共享數(shù)據(jù)

信息傳遞：一個進程需要向另一個進程發(fā)送消息，通知它發(fā)生了某種事件。

資源共享：多個進程之間共享同樣的數(shù)據(jù)。為了做到這一點，需要內(nèi)核提供鎖和同步機制。

進程控制：有些進程希望完全控制另一個進程的執(zhí)行，此時控制進程希望能夠攔截另一個進程的所有陷入和異常，病能夠及時知道它的狀態(tài)改變

二、進程間通信的概念

每個進程各自有不同的用戶地址空間，任何一個進程的變量在另一個進程中都是看不到的，所以進程之間要交換數(shù)據(jù)必須通過內(nèi)核，在內(nèi)核中開辟出一塊緩沖區(qū)。一個進程把自己的數(shù)據(jù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)，另一個進程再從內(nèi)核緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)讀走。內(nèi)核提供的這種機制稱為進程間通信(IPC,Inter Process Communication)

三、進程間通信方式

Linux進程間基本的通信方式主要有：管道(pipe)(包括匿名管道和命名管道)、信號(signal)、消息隊列(queue)、共享內(nèi)存、信號量和套接字。

下面逐漸介紹這幾種方式：

1.管道：管道的實質(zhì)是一個內(nèi)核緩沖區(qū)，管道的作用正如其名，需要通信的兩個進程在管道的兩端，進程利用管道傳遞信息。管道對于管道兩端的進程而言，就是一個文件，但是這個文件比較特殊，它不屬于文件系統(tǒng)并且只存在于內(nèi)存中。

管道依據(jù)是否有名字分為匿名管道和命名管道(有名管道)，這兩種管道有一定的區(qū)別。

匿名管道有幾個重要的限制：

管道是半雙工的，數(shù)據(jù)只能在一個方向上流動，A進程傳給B進程，不能反向傳遞

管道只能用于父子進程或兄弟進程之間的通信，即具有親緣關(guān)系的進程。

命名管道允許沒有親緣關(guān)系的進程進行通信。命名管道不同于匿名管道之處在于它提供了一個路徑名與之關(guān)聯(lián)，這樣一個進程即使與創(chuàng)建有名管道的進程不存在親緣關(guān)系，只要可以訪問該路徑，就能通過有名管道互相通信。

2.信號：信號是軟件層次上對中斷機制的一種模擬，是一種異步通信方式，進程不必通過任何操作來等待信號的到達。信號可以在用戶空間進程和內(nèi)核之間直接交互，內(nèi)核可以利用信號來通知用戶空間的進程發(fā)生了哪些系統(tǒng)事件。

信號來源：

信號事件的發(fā)生有兩個來源：硬件來源，比如我們按下了鍵盤或者其它硬件故障;軟件來源，最常用發(fā)送信號的系統(tǒng)函數(shù)是kill, raise, alarm和setitimer以及sigqueue函數(shù)，軟件來源還包括一些非法運算等操作。

進程對信號的響應(yīng)：

進程可以通過三種方式來響應(yīng)信號：(1)忽略信號，即對信號不做任何處理，但是有兩個信號是不能忽略的：SIGKLL和SIGSTOP;(2)捕捉信號，定義信號處理函數(shù)，當信號發(fā)生時，執(zhí)行相應(yīng)的處理函數(shù);(3)執(zhí)行缺省操作，Linux對每種信號都規(guī)定了默認操作。

3.消息隊列：消息隊列是消息的鏈表,具有特定的格式,存放在內(nèi)存中并由消息隊列標識符標識，并且允許一個或多個進程向它寫入與讀取消息

4.共享內(nèi)存：使得多個進程可以可以直接讀寫同一塊內(nèi)存空間，是針對其他通信機制運行效率較低而設(shè)計的。

為了在多個進程間交換信息，內(nèi)核專門留出了一塊內(nèi)存區(qū)，可以由需要訪問的進程將其映射到自己的私有地址空間。進程就可以直接讀寫這一塊內(nèi)存而不需要進行數(shù)據(jù)的拷貝，從而大大提高效率。

需要注意的是：共享內(nèi)存并未提供同步機制，在一個進程結(jié)束對共享內(nèi)存的寫操作之前，并無自動機制可以阻止另一個進程開始對它進行讀取。所以，我們通常需要用其他的機制來同步對共享內(nèi)存的訪問。

5.信號量：信號量實質(zhì)上就是一個標識可用資源數(shù)量的計數(shù)器，它的值總是非負整數(shù)。而只有0和1兩種取值的信號量叫做二進制信號量(或二值信號量)，可用用來標識某個資源是否可用。

6.套接字：套接字是更為基礎(chǔ)的進程間通信機制，與其他方式不同的是，套接字可用于不同機器之間的進程間通信。

有兩種類型的套接字：基于文件的和面向網(wǎng)絡(luò)的。

(1).Unix套接字是基于文件的，并且擁有一個“家族名字”--AF_UNIX，它代表地址家族(address family)：UNIX。

(2).第二類型的套接字是基于網(wǎng)絡(luò)的，它也有自己的家族名字--AF_INET，代表地址家族(address family):INTERNET

不管采用哪種地址家族，都有兩種不同的套接字連接：面向連接的和無連接的。

(1)面向連接的套接字(SOCK_STREAM)：進行通信前必須建立一個連接，面向連接的通信提供序列化的、可靠地和不重復的數(shù)據(jù)交付，而沒有記錄邊界。

這意味著每條信息可以被拆分成多個片段，并且每個片段都能確保到達目的地，然后在目的地將信息拼接起來。

實現(xiàn)這種連接類型的主要協(xié)議是傳輸控制協(xié)議(TCP)。

(2)無連接的套接字(SOCK_DGRAM)：在通信開始之前并不需要建立連接，在數(shù)據(jù)傳輸過程中并無法保證它的順序性、可靠性或重復性。